Mandrilhamento e expansão em tubos de aço de baixo teor de carbono

Abstract

A presente pesquisa investigou a influência da temperatura de tratamento térmico sobre a integridade superficial e a susceptibilidade à formação de trincas em tubos de aço carbono ASTM A178 Grau A submetidos à operação de expansão por mandrilhamento, em contexto industrial de fabricação de feixes tubulares. O problema estudado originou-se da ocorrência de defeitos como escamação superficial, marcas internas e trincas durante o processo de mandrilhamento. A investigação adotou abordagem aplicada, qualitativa e quantitativa, combinando análise documental, observação do processo produtivo, ensaios laboratoriais de microdureza Vickers HV5, análise metalográfica, interpretação pelo diagrama ferro-carbono e avaliação prática do desempenho em mandrilhamento. Foram analisadas amostras na condição sem tratamento térmico e após aquecimento em forno elétrico sem atmosfera controlada nas temperaturas de 650 °C, 700 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C e 950 °C. Os resultados laboratoriais indicaram dureza média de 148 HV5 para a condição sem tratamento, 127 HV5 para 650 °C, 90 HV5 para 700 °C, 94 HV5 para 750 °C, 118 HV5 para 800 °C, 109 HV5 para 850 °C, 110 HV5 para 900 °C e 106 HV5 para 950 °C. A metalografia revelou matriz ferrítica com presença de perlita nas condições avaliadas, comportamento compatível com aço baixo carbono hipoeutetóide, conforme fundamentação no diagrama ferro-carbono. A análise integrada dos dados demonstrou que a condição de 650 °C apresentou o melhor compromisso entre redução da dureza em relação ao material sem tratamento e preservação de resistência mecânica suficiente para estabilidade dimensional durante a expansão. Conclui-se que, nas condições específicas de material, geometria, forno e mandrilhamento avaliadas, a temperatura de 650 °C é a condição mais adequada para execução do mandrilhamento, devendo ser adotada como parâmetro operacional preliminar e validada com controles adicionais de tempo de permanência, repetibilidade e inspeção superficial.

This research investigated the influence of heat treatment temperature on surface integrity and crack susceptibility in ASTM A178 Grade A carbon steel tubes subjected to mandrel tube expansion in an industrial tubular bundle manufacturing context. The problem originated from defects such as surface scaling, internal marks, and cracking during the mandrel expansion operation. The study adopted an applied qualitative and quantitative approach, combining document analysis, observation of the production process, Vickers HV5 microhardness testing, metallographic examination, interpretation based on the iron-carbon diagram, and practical assessment of mandrel expansion performance. Samples were evaluated in the untreated condition and after heating in an electric furnace without a controlled atmosphere at 650 °C, 700 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, and 950 °C. The laboratory results showed average hardness values of 148 HV5 for the untreated condition, 127 HV5 at 650 °C, 90 HV5 at 700 °C, 94 HV5 at 750 °C, 118 HV5 at 800 °C, 109 HV5 at 850 °C, 110 HV5 at 900 °C, and 106 HV5 at 950 °C. Metallography revealed a ferritic matrix with pearlite in the evaluated conditions, which is consistent with hypoeutectoid low-carbon steel according to the iron-carbon diagram. The integrated analysis showed that the 650 °C condition presented the best compromise between hardness reduction relative to the untreated material and preservation of sufficient mechanical resistance for dimensional stability during expansion. Therefore, under the specific conditions of material, geometry, furnace, and mandrel expansion evaluated in this study, 650 °C is the most suitable condition for the mandrel expansion operation and should be adopted as a preliminary operating parameter, subject to further validation of soaking time, repeatability, and surface inspection controls.